字符編碼筆記：ASCII，Unicode和UTF-8

時(shí)間：2019-07-05 10:44:01

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[導(dǎo)讀]字符編碼筆記：ASCII，Unicode和UTF-8作者：?阮一峰今天中午，我突然想搞清楚Unicode和UTF-8之間的關(guān)系，于是就開始在網(wǎng)上查資料。結(jié)果，這個(gè)問題比我想象的復(fù)雜，從午飯后一直看到晚

字符編碼筆記：ASCII，Unicode和UTF-8

作者：?阮一峰

今天中午，我突然想搞清楚Unicode和UTF-8之間的關(guān)系，于是就開始在網(wǎng)上查資料。

結(jié)果，這個(gè)問題比我想象的復(fù)雜，從午飯后一直看到晚上9點(diǎn)，才算初步搞清楚。

下面就是我的筆記，主要用來整理自己的思路。但是，我盡量試圖寫得通俗易懂，希望能對其他朋友有用。畢竟，字符編碼是計(jì)算機(jī)技術(shù)的基石，想要熟練使用計(jì)算機(jī)，就必須懂得一點(diǎn)字符編碼的知識。

1. ASCII碼

我們知道，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，所有的信息最終都表示為一個(gè)二進(jìn)制的字符串。每一個(gè)二進(jìn)制位（bit）有0和1兩種狀態(tài)，因此八個(gè)二進(jìn)制位就可以組合出256種狀態(tài)，這被稱為一個(gè)字節(jié)（byte）。也就是說，一個(gè)字節(jié)一共可以用來表示256種不同的狀態(tài)，每一個(gè)狀態(tài)對應(yīng)一個(gè)符號，就是256個(gè)符號，從0000000到11111111。

上個(gè)世紀(jì)60年代，美國制定了一套字符編碼，對英語字符與二進(jìn)制位之間的關(guān)系，做了統(tǒng)一規(guī)定。這被稱為ASCII碼，一直沿用至今。

ASCII碼一共規(guī)定了128個(gè)字符的編碼，比如空格"SPACE"是32（二進(jìn)制00100000），大寫的字母A是65（二進(jìn)制01000001）。這128個(gè)符號（包括32個(gè)不能打印出來的控制符號），只占用了一個(gè)字節(jié)的后面7位，最前面的1位統(tǒng)一規(guī)定為0。

2、非ASCII編碼

英語用128個(gè)符號編碼就夠了，但是用來表示其他語言，128個(gè)符號是不夠的。比如，在法語中，字母上方有注音符號，它就無法用ASCII碼表示。于是，一些歐洲國家就決定，利用字節(jié)中閑置的最高位編入新的符號。比如，法語中的é的編碼為130（二進(jìn)制10000010）。這樣一來，這些歐洲國家使用的編碼體系，可以表示最多256個(gè)符號。

但是，這里又出現(xiàn)了新的問題。不同的國家有不同的字母，因此，哪怕它們都使用256個(gè)符號的編碼方式，代表的字母卻不一樣。比如，130在法語編碼中代表了é，在希伯來語編碼中卻代表了字母Gimel (?)，在俄語編碼中又會代表另一個(gè)符號。但是不管怎樣，所有這些編碼方式中，0--127表示的符號是一樣的，不一樣的只是128--255的這一段。

至于亞洲國家的文字，使用的符號就更多了，漢字就多達(dá)10萬左右。一個(gè)字節(jié)只能表示256種符號，肯定是不夠的，就必須使用多個(gè)字節(jié)表達(dá)一個(gè)符號。比如，簡體中文常見的編碼方式是GB2312，使用兩個(gè)字節(jié)表示一個(gè)漢字，所以理論上最多可以表示256x256=65536個(gè)符號。

中文編碼的問題需要專文討論，這篇筆記不涉及。這里只指出，雖然都是用多個(gè)字節(jié)表示一個(gè)符號，但是GB類的漢字編碼與后文的Unicode和UTF-8是毫無關(guān)系的。

3.Unicode

正如上一節(jié)所說，世界上存在著多種編碼方式，同一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字可以被解釋成不同的符號。因此，要想打開一個(gè)文本文件，就必須知道它的編碼方式，否則用錯(cuò)誤的編碼方式解讀，就會出現(xiàn)亂碼。為什么電子郵件常常出現(xiàn)亂碼？就是因?yàn)榘l(fā)信人和收信人使用的編碼方式不一樣。

可以想象，如果有一種編碼，將世界上所有的符號都納入其中。每一個(gè)符號都給予一個(gè)獨(dú)一無二的編碼，那么亂碼問題就會消失。這就是Unicode，就像它的名字都表示的，這是一種所有符號的編碼。

Unicode當(dāng)然是一個(gè)很大的集合，現(xiàn)在的規(guī)?？梢匀菁{100多萬個(gè)符號。每個(gè)符號的編碼都不一樣，比如，U+0639表示阿拉伯字母Ain，U+0041表示英語的大寫字母A，U+4E25表示漢字"嚴(yán)"。具體的符號對應(yīng)表，可以查詢unicode.org，或者專門的漢字對應(yīng)表。

4. Unicode的問題

需要注意的是，Unicode只是一個(gè)符號集，它只規(guī)定了符號的二進(jìn)制代碼，卻沒有規(guī)定這個(gè)二進(jìn)制代碼應(yīng)該如何存儲。

比如，漢字"嚴(yán)"的unicode是十六進(jìn)制數(shù)4E25，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)足足有15位（100111000100101），也就是說這個(gè)符號的表示至少需要2個(gè)字節(jié)。表示其他更大的符號，可能需要3個(gè)字節(jié)或者4個(gè)字節(jié)，甚至更多。

這里就有兩個(gè)嚴(yán)重的問題，第一個(gè)問題是，如何才能區(qū)別Unicode和ASCII？計(jì)算機(jī)怎么知道三個(gè)字節(jié)表示一個(gè)符號，而不是分別表示三個(gè)符號呢？第二個(gè)問題是，我們已經(jīng)知道，英文字母只用一個(gè)字節(jié)表示就夠了，如果Unicode統(tǒng)一規(guī)定，每個(gè)符號用三個(gè)或四個(gè)字節(jié)表示，那么每個(gè)英文字母前都必然有二到三個(gè)字節(jié)是0，這對于存儲來說是極大的浪費(fèi)，文本文件的大小會因此大出二三倍，這是無法接受的。

它們造成的結(jié)果是：1）出現(xiàn)了Unicode的多種存儲方式，也就是說有許多種不同的二進(jìn)制格式，可以用來表示Unicode。2）Unicode在很長一段時(shí)間內(nèi)無法推廣，直到互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)。

5.UTF-8

互聯(lián)網(wǎng)的普及，強(qiáng)烈要求出現(xiàn)一種統(tǒng)一的編碼方式。UTF-8就是在互聯(lián)網(wǎng)上使用最廣的一種Unicode的實(shí)現(xiàn)方式。其他實(shí)現(xiàn)方式還包括UTF-16（字符用兩個(gè)字節(jié)或四個(gè)字節(jié)表示）和UTF-32（字符用四個(gè)字節(jié)表示），不過在互聯(lián)網(wǎng)上基本不用。重復(fù)一遍，這里的關(guān)系是，UTF-8是Unicode的實(shí)現(xiàn)方式之一。

UTF-8最大的一個(gè)特點(diǎn)，就是它是一種變長的編碼方式。它可以使用1~4個(gè)字節(jié)表示一個(gè)符號，根據(jù)不同的符號而變化字節(jié)長度。

UTF-8的編碼規(guī)則很簡單，只有二條：

1）對于單字節(jié)的符號，字節(jié)的第一位設(shè)為0，后面7位為這個(gè)符號的unicode碼。因此對于英語字母，UTF-8編碼和ASCII碼是相同的。

2）對于n字節(jié)的符號（n>1），第一個(gè)字節(jié)的前n位都設(shè)為1，第n+1位設(shè)為0，后面字節(jié)的前兩位一律設(shè)為10。剩下的沒有提及的二進(jìn)制位，全部為這個(gè)符號的unicode碼。

下表總結(jié)了編碼規(guī)則，字母x表示可用編碼的位。

Unicode符號范圍 | UTF-8編碼方式
(十六進(jìn)制) | （二進(jìn)制）
--------------------+---------------------------------------------
0000 0000-0000 007F | 0xxxxxxx
0000 0080-0000 07FF | 110xxxxx 10xxxxxx
0000 0800-0000 FFFF | 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
0001 0000-0010 FFFF | 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

跟據(jù)上表，解讀UTF-8編碼非常簡單。如果一個(gè)字節(jié)的第一位是0，則這個(gè)字節(jié)單獨(dú)就是一個(gè)字符；如果第一位是1，則連續(xù)有多少個(gè)1，就表示當(dāng)前字符占用多少個(gè)字節(jié)。

下面，還是以漢字"嚴(yán)"為例，演示如何實(shí)現(xiàn)UTF-8編碼。

已知"嚴(yán)"的unicode是4E25（100111000100101），根據(jù)上表，可以發(fā)現(xiàn)4E25處在第三行的范圍內(nèi)（0000 0800-0000 FFFF），因此"嚴(yán)"的UTF-8編碼需要三個(gè)字節(jié)，即格式是"1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx"。然后，從"嚴(yán)"的最后一個(gè)二進(jìn)制位開始，依次從后向前填入格式中的x，多出的位補(bǔ)0。這樣就得到了，"嚴(yán)"的UTF-8編碼是"11100100 10111000 10100101"，轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制就是E4B8A5。

6. Unicode與UTF-8之間的轉(zhuǎn)換

通過上一節(jié)的例子，可以看到"嚴(yán)"的Unicode碼是4E25，UTF-8編碼是E4B8A5，兩者是不一樣的。它們之間的轉(zhuǎn)換可以通過程序?qū)崿F(xiàn)。

在Windows平臺下，有一個(gè)最簡單的轉(zhuǎn)化方法，就是使用內(nèi)置的記事本小程序Notepad.exe。打開文件后，點(diǎn)擊"文件"菜單中的"另存為"命令，會跳出一個(gè)對話框，在最底部有一個(gè)"編碼"的下拉條。

里面有四個(gè)選項(xiàng)：ANSI，Unicode，Unicode big endian 和 UTF-8。

1）ANSI是默認(rèn)的編碼方式。對于英文文件是ASCII編碼，對于簡體中文文件是GB2312編碼（只針對Windows簡體中文版，如果是繁體中文版會采用Big5碼）。

2）Unicode編碼指的是UCS-2編碼方式，即直接用兩個(gè)字節(jié)存入字符的Unicode碼。這個(gè)選項(xiàng)用的little endian格式。

3）Unicode big endian編碼與上一個(gè)選項(xiàng)相對應(yīng)。我在下一節(jié)會解釋little endian和big endian的涵義。

4）UTF-8編碼，也就是上一節(jié)談到的編碼方法。

選擇完"編碼方式"后，點(diǎn)擊"保存"按鈕，文件的編碼方式就立刻轉(zhuǎn)換好了。

7. Little endian和Big endian

上一節(jié)已經(jīng)提到，Unicode碼可以采用UCS-2格式直接存儲。以漢字"嚴(yán)"為例，Unicode碼是4E25，需要用兩個(gè)字節(jié)存儲，一個(gè)字節(jié)是4E，另一個(gè)字節(jié)是25。存儲的時(shí)候，4E在前，25在后，就是Big endian方式；25在前，4E在后，就是Little endian方式。

這兩個(gè)古怪的名稱來自英國作家斯威夫特的《格列佛游記》。在該書中，小人國里爆發(fā)了內(nèi)戰(zhàn)，戰(zhàn)爭起因是人們爭論，吃雞蛋時(shí)究竟是從大頭(Big-Endian)敲開還是從小頭(Little-Endian)敲開。為了這件事情，前后爆發(fā)了六次戰(zhàn)爭，一個(gè)皇帝送了命，另一個(gè)皇帝丟了王位。

因此，第一個(gè)字節(jié)在前，就是"大頭方式"（Big endian），第二個(gè)字節(jié)在前就是"小頭方式"（Little endian）。

那么很自然的，就會出現(xiàn)一個(gè)問題：計(jì)算機(jī)怎么知道某一個(gè)文件到底采用哪一種方式編碼？

Unicode規(guī)范中定義，每一個(gè)文件的最前面分別加入一個(gè)表示編碼順序的字符，這個(gè)字符的名字叫做"零寬度非換行空格"（ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE），用FEFF表示。這正好是兩個(gè)字節(jié)，而且FF比FE大1。

如果一個(gè)文本文件的頭兩個(gè)字節(jié)是FE FF，就表示該文件采用大頭方式；如果頭兩個(gè)字節(jié)是FF FE，就表示該文件采用小頭方式。

8. 實(shí)例

下面，舉一個(gè)實(shí)例。

打開"記事本"程序Notepad.exe，新建一個(gè)文本文件，內(nèi)容就是一個(gè)"嚴(yán)"字，依次采用ANSI，Unicode，Unicode big endian 和 UTF-8編碼方式保存。

然后，用文本編輯軟件UltraEdit中的"十六進(jìn)制功能"，觀察該文件的內(nèi)部編碼方式。

1）ANSI：文件的編碼就是兩個(gè)字節(jié)"D1 CF"，這正是"嚴(yán)"的GB2312編碼，這也暗示GB2312是采用大頭方式存儲的。

2）Unicode：編碼是四個(gè)字節(jié)"FF FE 25 4E"，其中"FF FE"表明是小頭方式存儲，真正的編碼是4E25。

3）Unicode big endian：編碼是四個(gè)字節(jié)"FE FF 4E 25"，其中"FE FF"表明是大頭方式存儲。

4）UTF-8：編碼是六個(gè)字節(jié)"EF BB BF E4 B8 A5"，前三個(gè)字節(jié)"EF BB BF"表示這是UTF-8編碼，后三個(gè)"E4B8A5"就是"嚴(yán)"的具體編碼，它的存儲順序與編碼順序是一致的。